Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Gasen Die Erfindung bezieht sich lauf Verfahren und Vor richtungen zum Erhitzen von Gasen ,auf hohle Tempera turen.
In der USA-Patentschrift Nr. 3 004137 ist eine elektrisch, ,zusätzlich ;aufgeheizte Flamme beschrieben, wobei eine elektrische Entladung in einer Flamme ver teilt wird, die durch chemische Verbrennung erzeugt ist, so dass der durch die: chemische Verbrennung erzeugten Wärme von der elektrischen Energieabgeleitete Wärme zugegeben wird.
Bei der elektrischen Entladung werden im Gegensatz zu einem elektrischen Lichtbogen, bei dem eine niedrige .Spannung und ein starker Strom verwendet werden und der zwischen zwei Elektroden zu schmaler Fadenform konzentriert wird', eine hohe Spannung und ein schwacher ;Strom verwendet.
Eine solche elektrisch, zusätzlich aufgeheizte Flam me führt zu nützlichen Ergebnissen. Beispielsweise wer den :die Probleme hinsichtlich der Zufuhr elektrischer Energie verringert, weil ;grosse Energiemengen bei zweckmässig .hohen Spannungen zugeführt werden kön nen.
Da verhältnismässig schwache Ströme verwendet werden, sind,die Ausführung und Wartung von Elektro den in, grossem Ausmass vereinfacht. Weiterhin wird' in der gesamten Flamme eine im .wesentlichen gleich mässige Temperatur aufrechterhalten.
Von ,grösster Be deutung ist, dass Temperaturen mit gewöhnlichen Brennstoffen erhalten werden können, die sonst nur mit teuren Brennstoffen, wie Azetylen, Zyan usw. er halten werden können.
Die Bezeichnug verteilte Entladung benennt eine Art von elektrischer Entladung hoher Energie, bei wel cher eine hohe Spannung und ein schwacher Strom ver wendet werden im Gegensatz zu dem elektrischen Lichtbogen, bei welchem eine niedrige, Spannung und ,ein starker Strom verwendet werden, und welcher das Bestreben hat,
sich in einen schmalen, übererhitzten und somit elektrisch hochleitfähigen Kanal zwischen zwei Elektroden zusammenziehen. Durch die Erfindung werden gegenüber einem be kannten Verfahren und einer bekannten Vorrichtung beträchtliche Vorteile erhalten,
indem beispielsweise eine dort beschriebene elektrisch zusätzlich aufgeheizte Flamme leichter entzündet werden kann und indem die elektrische Entladung in der Flamme und in .den Ver brennungsprodukten gleichmässiger verteilt :ist. Dadurch kann mehr elektrische Energie in die heissen Gase ein- ,geführt werden, Tals es durch Verwendung des bekann ten Verfahrens und der bekannten Vorrichtung mög lich isst, ohne eine Kontraktion der Entladung in einen Lichtbogen hervorzurufen.
Ausführungsformen oder Erfindung werden nach stehend an (Hand der Zeichnung beispielsweise erläu tert.
Fig. 1 eist eine graphische, Darstellung einer Reihe von Kurven, welche die theoretisch berechneten elek trischen Leitfähigkeiten von Gasen mit sich ändernden Konzentrationen ionisierender Materialien im logarith mischen Massstab als Funktion der Temperatur wieder geben.
Fig. 2 ist eine gebrochene mittlere Längsschnitt ansieht eines Brenners, wobei die elektrischen Ver bindungen schematisch und die, Richtung der Gasströ mung durch den Brenner hindurch durch einen Pfeil ;angezeigt ist.
Fig. 3 ist eine in vergrösstertem Massstab gehaltene Längsschnitten sieht seines bei dem Brenner :gemäss der Fig. 2 -verwendeten Hilfsrohres.
Fig. 4 ist eine Draufsicht des Hilfsrohres gemäss Fi;g. 3.
Fig. 5 ist leine teilweise gebrochene Teilseitenan sicht einer Einrichtung, die zum Einführen ionisieren- ,der Additive in den Brenner gemäss Fig. 2 verwendet wird.
Fig. 6 ist eine Schnittansicht nach Linie IV-IV der Fig. 2.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht .nach Linie VII-VII ,der Fig. 2. Um eine elektrische Entladung hoher Energie in einem hochdiffundierten Zustand :in einem Gasstrom zu verteilen und die Bildung von Lichtbögen oder fadenartigen Entladungen zu vermeiden, ist es notwen dig, dass der Gasstrom vor Anlegen der Entladung ge wisse physikalische Charakteristiken aufweist. Erstens russ das Gas einen gesteuerten Grad elektrischer Leit fähigkeit haben.
Diese Bedingung wird durch Zuführen ionisierender Additive zudem Gas, beispielsweise durch Zuführen von pulverisiertem Kaliumchlorid oder an derem Material mit niedrigem Ionisationspotential, und durch Erhitzen des Gases auf eine Temperatur erhalten, bei welcher die ionisierenden Additive verdampft und ionisiert werden, wie es nachstehend erläutert wird..
Zweitens müssen die Gase in hohem Ausmass tur bulent sein, so dass eine gleichmässige Verteilung der ionisierten Additive in den Gasen erhalten wird.
Drittens müssen -die Gase auf eine Temperatur er hitzt werden, bei welcher der Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit sich dem Wert Null nähert. Das heisst, die elektrische Leitfähigkeit der Gase nimmt bei Erhöhung der Temperatur um 1000 K nicht mehr als um den Faktor 2 zu. Die Bedeutung dieser dritten Bedingung ist in dien Kurven der Fig. 1 dargestellt, in welcher die theoretisch berechneten elektrischen Leit- fähigkeiten von Gasen mit sich ändernden Konzentra tionen von Kaliumchlorid im logarithmischen Massstab über der Temperatur aufgezeichnet sind.
In Fig. 1 stel len die Kurven 1, 2, 3 :und 4 Ausgangskonzentrationen von Kaliumchlorid :dar, die mit zunehmender Kurven bezeichnung um :den Faktor<B>10</B> abnehmen. Diese Kur ven 1 bis 4 sind unter der Annahme eines konstanten Elektronenbeweglichkeitswertes und :unter Vernachläs sigung einer nicht durch die Additive erhaltenen Ioni sation der Gase berechnet worden.
Es ist aus Fig. 1 ersichtlich, dass bei niedrigen Temperaturen die elektrische Leitfähigkeit mit der Tem peratur schnell zunimmt, dass jedoch oberhalb einer gewissen Temperatur innerhalb<B>des,</B> dargestellten Tem peraturbereichs keime wesentliche Zunahme der elektri schen Leitfähigkeit vorhanden ist und die Leitfähigkeit für jede. Konzentration ionisierender Additive :einen ge wissen etwa gleichbleibenden Wert erreicht.
Wenn die Temperatur :des Gases sich unterhalb des Punktes be findet, an welchem die elektrische :Leitfähigkeit den etwa gleichbleibenden Wert erreicht, wird bei Anlegen einer elektrischen Entladung die elektrische Leitfähig- keit des Gases durch die Temperaturerhöhung des Ga ses zufolge der Zugabe elektrischer Energie schnell er höht, und es besteht eine grosse Wahrscheinlichkeit,
dass die Entladung zu einem Lichtbogen oder einem Bündel fadenartiger Entladungen zusammenbricht. Wenn jedoch die Temperatur des Gases vor Anlegen -der elektrischen Entladung derart ist, dass die elektrische Leitfähigkeit des Gases sich :einem etwa ,gleichbleibenden Wert an genähert hat, d. h. der Temperaturkoeffizient der elek trischen Leitfähigkeit sich dem Wert Null angenähert hat, wie es oben beschrieben ist, dann wird die elektri sche Leitfähigkeit durch eine Temperaturerhöhung zu folge der angelegten elektrischen Energie nicht merkbar erhöht.
Aus Fig. 1 'ist ersichtlich, dass sowohl die Kon zentration von einem Gas zugegebenen ionisierenden Additiven als such -die Temperatur bestimmen, wenn die elektrische Leitfähigkeit einen etwa gleichbleibenden Wert erreicht. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Gasstrom für die Anwendung einer verteilten elektri schen Entladung hoher Energie in zwei Stufen oder Zonen gebildet.
In der ersten Stufe oder Zone wird eine verhältnis mässig kleine Menge eines brennbaren Gemischs ver brannt, um eine Zünd- oder Hilfsflamme zu bilden und das Material, welches als :ionisierendes Additiv wirkt, bespielsweise Kaliumchlorid oder andere leicht ionisier- bare Materialien mit niedrigen Ionisationspotentialen, wird in die Hilfsflamme geführt, die diese Materialien erhitzt und teilweise verdampft und ionisiert.
In der zweiten Stufe oder Zone wird der Rest des brennbaren Gemisches, das verbrannt wird, um die Ver- brennungsenergie in dem Verfahren zuzuführen, in die Hilfsflamme einsgeführt und,durch diese entzündet. Die Verbrennungsflamme oder Hauptflamme vervollständigt die Verdampfung der ionisierenden Materialien und ionisiert ,diese weiter, jedoch nur zu einem solchen Grad, dass die Gase eine verteilte elektrische Entladung nur dann ertrag gen bzw. unterstützen, wenn die Energie ,der elektrischen Entladung :auf :einem verhältnismässig niedrigen Wert gehalten wird.
Wenn die elektrische Energie über diesen Wert hinaus erhöht wird, bricht die :elektrische Entladung zu einem Lichtbogen oder zu einer Gruppe fadenartiger Lichtbogen zusammen, die zusammen das Aussehen eines dicken Lichtbogens er geben. Demgemäss wird in dieser zweiten Stufe den Gasen zusätzliche: Wärme zugeführt, um ihre Tempera tur auf einen Wert zu erhöhen, bei welchem die Addi tive wenigstens zu 50% ionisiert sind und die elektri sche Leitfähigkeit der Gase bei einer Temperaturer höhung von 1000 ,K um nicht mehr als einen Faktor 2 zunimmt.
Dies wird dadurch :erhalten, dass eine elek trische Entladung in den Gasen stromab der Hilfs flamme aufrechterhalten wird. Den Gasen wird in !die ser zweiten !Stufe oder Zone genügend elektrische Ener gie zugeführt, um die Additive indem oben geschriebe nen .Ausmass zu ionisieren und die Verbrennung der brennbaren Gemische zu vervollständigen. In dieser Stufe sind die Gase in hohem Ausmass turbulent, so dass ,die elektrische, Leitfähigkeit in den Gasen gleichmässig ist, wenndiese die zweite Stufe verlassen,
und die Gase siind auf eine Temperatur erhitzt worden, bei welcher ,der Temperaturkoeffizient d er elektrischen Leitfähigkeit sich dem Wert Null nähert.
Die Gase strömen dann in eine :dritte Stufe oder Zone, in welcher der grösste Teil oder gesamten elek trischen Energieangelegt wird. Die Energie wird in Form :einer elektrischen Entladung angelegt, die zufolge des günstigen Zustands der Gase .in hochdiffundiertem Zustand in den Gasen verteilt;lwird.
In Fig. 2 ist ein Brenner wiedergegeben, welcher einen Block 8 raus Isoliermaterial ,aufweist, der mittels eines Flansches 9 und Bolzen 11 an dem Hauptkörper 10 des Brenners gehalten ist.
Der Hauptkörper 10 weist ,eine zylindrische Aus- nehmung 12 in seiner Basis auf, in welche sich der Block 8 teilweise erstreckt. An einer Stelle auf an nähernd der Hälfte der Tiefe der Ausnehmung 12 ist der Durchmesserdes Isolierblocks 8 verringert, um eine konische Verlängerung 13 mit einem Durchgang zu schaffen. Dass strom@abwärtsseitige Ende ,des Hauptkör pers 10 weist eine Reihe von konzentrierten zylindri schen .Aus:
nehmungen 14, 15 und 16 auf, deren Durch messer in der genannten Reihenfolge abnimmt und. die weitere Teile der Vorrichtung abstützen, wie es nach stehend erläutert wird.
Ein metallenes Brennerrohr 17 erstreckt sich durch ,den Flansch 9, durch einen Durchgang 18 in dem Isolierblock 8 und durch die Verlängerung 13 des Blockes 8 hindurch-.
Von der Verlängerung 13 aus er streckt sich (das Rohr -17 durch einen .Durchgang 19 in dem Hauptkörper 10 hindurch, welcher die Aus- nehmungen 12 und 16 miteinander verbindet. Jenseits ,der Verlängerung 13 erweitert sich das Rohr 17, so dass sein Durchmesser zunimmt, und es endigt unge fähr in der Ebene zwischen den Ausnehmungen 15 und 16.
Ein Hilfsbrennerkopf 20 ist in der Ausnehmung 15 des Hauptkörpers 10 mittels eines Schaftes 21 mittig angeordnet, der ;in das Rohr 17 passt und in ihm durch Schrauben gehalten ist, von denen eine bei; 22 darge stellt ist.
Ein Hilfsrohr 23 erstreckt sich durch das Rohr 17 und den Schaft 21 hindurch zu einer Stelle nahe dem Brennerkopf 20. Das Hilfsrohr 23 wird verwendet, um Brennstoff und ionisierende ,Additive dem Brennerkopf 20 zuzuführen, und der Ringraum zwischen den Roh ren 17 und 23 wird verwendet, um dem Brennerkopf 20 Luft oder :Sauerstoff zuzuführen. Wie in den Fig. 3 und 4 wiedergegeben, ist das innere Ende des Rohres 23 geschlitzt Aderart, dass in reinem gewissen Ausmass ein Vormischen ;des Brennstoffes mit ;der Luft bzw. dem Sauerstoff vor Erreichen des Brennerkopfes 20 erhalten wird.
Ein Funken zwischen dem Schaft 21 des Brenner.- kopfes 20 und denn äusseren Ende des Rohres 23 wird zum Entzünden einer Zünd- oder Hilfsflamme an dem Kopf 20 verwendet. Eine Radiofrequenz-Spannungs quelle 24 dient zur Erzeugung des Funkens.
Eine Lei tung 25 verbindet die ,Spannungsquelle 24 mit dem Rohr 23, und Leitungen 2,6 und 27 verbinden die Spannungsquelle 24 über Blas Rohr 17 mit deal Schaft 21.<B>Die</B> Leitung<B>27</B> erstreckt sich durch einen radialen Durchgang 28 in dem Hauptkörper 10 hindurch rund .ist in ;dem Durchgang 28 mittels eines Isolierstopfens 29 mittig angeordnet.
In Fig. 5 ist eine Einrichtung wintergegeben, die verwendet wird, um durch ;das Hilfsrohr 23 hindurch ionisierende Additive in die Hilfsflamme einzuführen. Die Einrichtung gibt in den Brennstoffstrom Kalium- chlorid;pulver ab, das in einer Kugelmühle gemahlen und gesiebt worden isst, bis es ;
durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,044 mm hindurchgeht. Das Pulver wird von einem Schwingzuführer (nicht ;dargestellt) einem Rohr 30 ,zugeführt, das über eine bleigsame Rohr verbindung 31 mit oder Basis eines aus Glas. bestehenden T-Stücks 33 verbunden ist. An dem Rohr 30 ist in der Basis 32 .ein .Sieb 34 :mit einer Maschenweite von etwa 0,08 mm angeordnet, welches irgendwelche agglome- rierten Partikel ;aufbricht. Ein Hilfsvibrator 34a hält .das Sieb frei.
Ein Rohr 35, das von einer nicht dar gestellten Brennstoffquelle (beispielsweise Methan) kommt, ist mit einem .Arm ;des T-Stücks 33 verbunden. Der andere Arm des T-Stücks 33 trägt ein Rohr 36, dass zu dem Hilfsrohr 23 führt.
Der Hauptanteil des brennbaren Gemisches wird ,ausserhalb ;der Einrichtung ;gemischt und ;durch eile Öffnung 37 hindurch der Ausnehmung 12 in dem Hauptkörper 10 zugeführt. Von der Ausnehmung 12 strömt ;das brennbare Gemisch ;durch den Ringraum zwischen dem Rohr 17 rund den Durchgang 19 in dem Hauptkörper 10 und durch Öffnungen 38 indem Rohr 17 hindurch in den Raum zwischen dem Schaft 21 und dem Rohr 17 und danach nach aussen an dem Brenner kopf 21 vorbei, wo es entzündet wird.
Eine mit Öff nungen versehene Hülse 39 äst rund um die konische Verlängerung 13 des Blockes 8 und innerhalb ,der Aus- nehmung 12 des Hauptkörpers 10 Damgeordnet, um das brennbare Gemisch in der Ausnehmung 12 zu verteilen und das Mischen zwischen dem ;Brennstoff und den Oxydationskomponenten des brennbaren Gemisches zu verbessern.
Die so weit beschriebenen Teile der Vorrichtung stellen die erste Stufe oder Zone dar.
Die ;zweite Stufe der Vorrichtung weilst ein Rohr 40 aus hitzebeständigem Glas, beispielsweise aus Borsilikat glas auf, dessen stromaufwärtsseitiges Ende ist in die Ausnehmung 16 des Hauptkörpers 10 eingepasst. Ein zweites Rohr 41 aus transparentem Kunststoffmaterial, beispielsweise einem Polymethacrylsäureesterkunststoff umgibt ;das Rohr 40 rund ist ran seinem stromaufwärts- Seitigen Ende rin die Ausnehmung 14 ,des Hauptkörpers 10 eingepasst. Eine Elektrode 42 ist ,an dem strom- abwärtsseitigen Ende der Rohre 40 und 41 angeordnet.
Sie hat die Form eines, hohlen zylindrischen Körpers, der an einem Ende konzentrische Bohrrungen 43, 44 ,und 45 mit .in dieser Reihenfolge sich vergrösserndem Durchmesser aufweist. Die .Rohre 40 und 41 sind in die Bohrungen 43 bzw. 45 eingepasst.
Die Elektrode 42 kann Entladungsstelle bzw. -spitzen 42a rund 42b aufweisen, um das Anlegen einer elektrischen Entladung an die heisse Mitte der durch ;den Brenner hindurch strömenden Gase zu unterstützen rund das Rohr 40 ,durch Ableisten elektrischer Lichtbogen von seinem Um f arg zu schützen.
Ein Flansch 46 ruht auf einer Schulter 47, die in dem Aussenumfang der Elektrode 42 gebildet ist. Bol zen 48 und Muttern 49 halten die Elektrode 42 und die Rohre 40 und 41 an; dem Hauptkörper 10.
Ein in dem Rohr 40 zu diesem konzentrisch an geordnetes Metallrohr 50 erstreckt sich von dem strom- abwärtsseitigen Ende des Brennerrohres 17 in Richtung auf die Elektrode 42 und Wird als Elektrode zum An legen einer elektrischen Entladung an rGase innerhalb des Rohres 40 zwischen dem Rohr 50 und der Elek trode 42 verwendet.
Eine Hochspannungswechselstrom-Energiequelle 51 ist mittels einer Leitung 52,r die mit der Leitung 27 verbunden -ist und durch 53 rund 54 an .das Rohr 50 und die Elektrode 42 geschaltet, von denen die Leitung 54 mit ;der Elektrode 42 verbunden ist. Das Rohr 50 ;kann Entladungsspitzen 50a für den gleichen Zweck wie die Elektrode 42 ;
die Entladungs- spitzen 42a und 42b aufweisen.
Innerhalb des Rohres 40 befindliche Gase haben eine hohes Temperatur, so rdass eine Wasserkühlung ver wendet wird. Kühlwasser fliesst durch einem Durchgang 10a :in dem Hauptkörper 10 hindurch zu einer Aus- nehmung indem Hauptkörper 10, dann zudem Ring raum zwischen den Rohren 40 und 41, dann in die Bohrung 44 der Elektrode 42 und von der Bohrung 44 durch eine Öffnung 42c in die Elektrode 42 nach aussen.
Die Elektrode 42 isst noch weiter wassergekühlt. Wie in Fig. 6 dargestellte, kann Wasser einem von zwei radialen Durchgängen 46a, die indem Flansch 46 gebil det ;
sind und sich zu einer Nut 4.2d erstrecken, die auf der Innenseite rdes Flansches 46 in die Aussenfläche der Elektrode 42 geschnitten, ist, zugeführt werden. Eine mit !einer Öffnung versehene Platte 55 ist am stromabwärtsseitigen Ende der Elektrode 42 befestigt und weist eine Öffnung 56 auf, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der hohlen Elektrode 42 ist.
Hiermit ist ,die Beschreibung der .zweiten Stufe oder Zone der Vorrichtung gemäss der Erfindung vervoll ständigt.
Die .dritte Stufe oder Zone 'der Vorrichtung gemäss der Erfindung weist ein zweites aus hitzebeständigem Glas bestehendes Rohr 57 sauf, das sich von der mit der Öffnung 56 versehenen Platte 55 erstreckt und zu der Öffnung 56 konzentrisch liegt. Das stromabwärtsseitige Ende des Rohres 57 trägt eine zweite Elektrode 58 in Form eines hohlen Ringes, (dessen Innendurchmesser eine Öffnung 59 bildet, deren Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 57 ist.
Das stromaufwärtsseitige Ende des Rohres 57 ist an der Öffnungsplatte 55 durch Drähte 60 befestigt, die sich rund um Bolzen 48 und Haken 61 erstrecken, die an der Aussenfläche des Rohres 57 nahe seinem strom- aufwärtsseitigen Ende befestigt sind. Die Elektrode 58 ist an dem stromabwärtsseitigen Ende des, Rohres 57 durch Drähte 62 befestigt, die sich rund um Haken 63, die an der Aussenfläche des. Rohres 57 nahe seinem stromabwärtsseitigen Ende befestigt sind, und um Ha ken 64 erstrecken, die an der Aussenfläche der Elektro de 58 befestigt sind.
Eine zweite Hochspannungswechselstromquelle 65 ist durch eine mit der Leitung 54 verbundene Leitung 66 und durch eine mit der Elektrode 58 verbundene Leitung 67 an die Elektroden 42 und 58 geschaltet.
Die Elektrode 58 ist ebenfalls wassergekühlt, wobei das Kühlwasser ihrem hohlen durch zweck entsprechende Einrichtungen (nicht 'dargestellt) zuge führt wird.
Nachstehend wird. die .Arbeitsweise der Vorrichtung beschrieben. Ein Brennstoff, beispielsweise Methan, und ein 'ionisierendes .Additiv werden durch das Hilfsrohr 23 hindurch in Iden Schaft 21 des Hilfsbrennerkopfes 20 geführt. Oxydationsmaterial (Luft oder reiner Sauer stoff) wird durch das Rohr 17 hindurch zugeführt und mischt sich ,innerhalb des Schaftes 21 -am Ende des.
Hilfsrohres 23 mit dem Brennstoff und dem Additiv. Das brennbare Gemisch wird durch einen Funken ent zündet, der von der Radiofrequenz-Spannungsquelle 24 zugeführt wird und es brennt an dem Hilfsbrennerkopf 20.
Das Hauptvolumen des brennbaren Gemisches strömt durch die Öffnung 37 hindurch in. die Aus- nehmung 12i des Hauptkörpers<B>10,</B> dann 'durch die Öffnungen 38 indem Brennerrohr 17 hindurch in den Raum zwischen dem Brennerkopf 20 und dem Rohr 50, wo es durch die Hilfsflamme entzündet wird.
Die der Hilfsflamme zugeführten Gase werden in dem Rohr 50 vollständig verbrannt und das Haupt volumen der durch die Öffnung 37 zugeführten Gase wird entzündet. In (der Flamme findet weiterhin eine teilweise Verdampfung des ionisierenden Additivs statt und das Rohr '50 hat eine ausreichende Länge, um eine für eine solche teilweise Verdampfung erforder- liche Verweilzeit für die Additive zu schaffen.
Diese Länge ist durch Berechnungen bestimmt, die rauf Wär- meübertragungsgesichtspunkten, auf der Partikelgrösse des Additivs, der Geschwindigkeit der Partikel und der Flammentemperatur beruhen. Die Gase sind in dem gewünschten hohen Ausmass turbulent,
jedoch ist ihre elektrische Leitfähigkeit gering und zufolge des geringen Ausmasses ran Ionisation des ionisierenden Additivs nicht gleichmässig. Um die Gase auf eine Temperatur zu bringen, bei welcher die elektrische Leitfähigkeit sich einem etwa ,gleichbleibenden Wert nähert, wie es in den Kurven 1 bis 4 in Fig.
1 dargestellt ist, wird den Gasen eine Hochspannungsentladung (bei etwa 2000 .bis 3000 Volt) mit verhältnismässig schwachem Strom (10 bis 20 Ampere) zwischen dem stromabwärtsseitigen Ende des Rohres 50 und der Elektrode 42 überlagert bzw. auf gedrückt. Der Betrag des! Stromes hängt von der Kon zentration des ionisierenden Additivs und (der Art der Entladung lab.
Bei niedrigen Additivkonzentrationen und bei niedrigem Energieniveau bleibt die Entladung gleich mässig verteilt. Höhere Additivkonzentrationen und höhere Energieniveaus bewirken, dass die Entladung fadenartig wird. Jedoch beeinflusst eine fadenartige Ent ladung in der zweiten Stufe Idas Arbeiten der dritten Stufe nicht. Die wichtigen Funktionen der ersten und der zweiten Stufe bestehen erstens darin, den Gasen Energie zuzuführen, um sie !auf die :
geforderte hohe Temperatur zu erhitzen, und zweitens darin, eine ge nügende Verweilzeit zu schaffen, um die Additive zu verdampfen und in dem erforderlichem Ausmass zu ionisieren.
Der Betrag der in die zweite Stufe eingeführten elektrischen Energie beträgt ungefähr 10 bis 20% der Verbrennungsenergie. Die Verbrennung ist im wesent lichen vollständig (mehr als 95%) und die ionisierenden Additive haben (das zuvor beschriebene hohe Ausmass an Ionisiation erreicht.
Auf solche Weise in der zweiten Stufe behandelte Gase werden in die dritte Stufe inner halb des Rohres 57 geführt und befinden sich in einem Zustand, in welchem eine elektrische Entladung zwi schen, den Elektroden 42 und 58 :angelegt werden kann.
Da die Gase turbulent sind und eine .hohe Temperatur haben, .bei welcher der Temperaturkoeffizient, der elek trischen Leitfähigkeit sich dem Wert Null nähert, wird .die Entladung ,in hochdiffundiertem Zustand in den Gasen gleichmässig verteilt und den Gasen kann eine sehr beträchtliche Menge elektrischer Energie zugeführt werden, wodurch ihre Temperatur weiter erhöht wird.
Die nachfolgenden Daten wurden beim tatsächlichen Betrieb der oben beschriebenen Vorrichtung erhalten. Die Hilfsflamme wurde aufrechterhalten durch einen Sauerstoffstrom von etwa 56,6 dm3/min, und einem Naturgasstrom von etwa 28,3 dm3/min. Kaliumchlorid- @salz wurde in 'die Hilfsflamme in einer Menge ein igespritzt, die einem Partialdruck im Bereich zwischen 0,67 X 10-5 und 2 X 10-5 Atmosphären entspricht.
Die Hauptverbrennungsflamme wurde durch Luft in einer Menge von etwa 1570 @dm3/min und Naturgas in einer Menge von etwa 165,5 @dm3/min aufrechterhalten. Die Spannung in der zweiten Stufe zwischen dem Rohr 50 und der Elektrode 42 wurde lauf l'500 Volt gehalten, wodurch ein Strom von 15 Ampere erzeugt wurde.
Die Gase in der zweiten Stufe empfingen <B>100</B> kW Verbrennungsenergie und 22,5 kW elektrische Energie. Bei Zulassen von Wärmeverlusten in Höhe von 10% betrug (die dem Gas zugeführte Energie 1549 Kcal je Minute.
'Unter Verwendung der Wärmekapazität von Stickstoff Tals Annäherung kann die Temperatur des in die (dritte Stufe eintretenden Gases mit annähernd <B>2985'</B> K ,berechnet werden.
Bei einem Arbeitsgang wurden 4500 Volt zwischen der Elektrode 42 und (der Elektrode 58 angelegt, wo durch ein Strom von 15 Ampere erzeugt wurde. Bei einem anderen Arbeitsgang betrug ;die ;angelegte Span nung 2000 Volt und der erzeugte .Strom lag zwischen 20 und 25 Ampere.
Somit änderte sich bei den beiden Arbeitsgängen die den Gasen zugeführte elektrische Energie zwischen 40 und 67,5 kW.
Vorstehend äst ;als Ionisierendes Additiv hauptsäch lich Kaliumchloridsalz genannt worden. Es; können je ,doch ,auch andere Materialien als solche Additive ver wendet werden, vorausgesetzt, dass sie niedrige Ioni sationspotentiale haben und der Siedepunkt des Mate rials, wenn es eine Flüssigkeit ,ist bzw. ,die Partikel grösse, wenn es ein Feststoff ist, derart ,ist, dass sie in der zweiten Stufe der Vorrichtung vollständig verdampft werden können.
Das Kaliumchloridsalz, das beim Betrieb des in Fig. 2 wiedergegebenen ;Brenners verwendet wurde, hatte einen mittleren Flächenpartikeldurchmesser von an nähernd 8 tausendstel Millimeter. Wärmeübergansrech nungen zeigen, dass eine praktische obere Grössengrenze bei etwa 1/l00 mm liegt, wenn vollständige Verdampfung, Dissoziation und Ionisation des Kaliumchlorids in der ersten und der ,zweiten Stufe erhalten werden sollen. Die untere Partikelgrösse ist durch Betrachtungen me chanischer Handhabungsprobleme bestimmt, die sich ,aus der Agglomerisation ausserordentlich feiner Pulver ergeben.
Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung ist ;ein wirksamer Weg geschaffen, um Gase auf Temperaturen zu bringen, die viel höher als diejenigen sind, die ;durch das Verbrennen gewöhnli cher Brennstoffe erhalten werden können. -Gleichzeitig sind Probleme, :die sich aus der Verwendung starker Lichtbögen ergeben, vermieden.
Es ist weiterhin möglich, ;durch Wärme unterstützte chemische Reaktionen in den Gasen in der dritten Stufe auszuführen. Die chemischen Reaktionsteilnehmer kön nen in irgendeiner Stufe ;des Verfahrens ;
gemäss der Erfindung eingeführt werden, jedoch besteht eine zweck- mässige Arbeitsweise darin, säe: zu Beginn der dritten Stufe zuzuführen. Für diesen Zweck ist in der Seite des. Aussenendes der Elektrode 42 eine sich radial erstrek- kende Öffnung 68 vorgesehen, wie,es in Fig. 7 wieder- ,gegeben, ist.
Wenn die durch Wärme unterstützte chemische Reaktion derart ist, dass sie durch die in der ersten und in der zweiten Stufe erzeugten Verbrennungsprodukte nicht verschmutzt werden kann, kann die in der ersten und in der zweiten, Stufe zugeführte Verbrennungsener gie allmählich verringert und eliminiert werden und die Zufuhr elektrischer Energie in der zweiten Stufe kann erhöht werden.
Auf diese Weise können weiterhin nicht brennbare Gase erhitzt werden, in :dem sie ;anstelle der ursprünglich zugeführten brennbaren Gase in der ersten und,der zweiten (Stufe zugeführt werden.
Die ;dritte Stufe des Verfahrens braucht nicht .auf ;die Verwendung eines. Elektrodenpaares begrenzt zu werden. Abwechselnde Reihen von elektrisch ange schlossenen Kathoden und Anoden können stromab des ersten Elektrodenpaares .angeordnet werden, und. die Gase können durch aufeinanderfolgende Elektroden paare hindurchgehen, wobei ihnen zusätzliche elektrische Energie zugeführt werden kann. Auf ;diese Weise kön nen verhältnismässig lange Verweilzeiten chemischer Reaktionsteilnehmer in Hochtemperaturzonen aufrecht erhalten werden.